（制浆造纸工程专业论文）数码印刷纸的研制及印刷适性分析.pdf

摘要 本文的研究目的在于改变颜料种类，使涂布纸适印于激光数码印刷，以市面上的专用 彩色激光数码印刷纸作为对象，实现涂布纸用于激光印刷的目的。实验选取了四种功能性 颜料作为研究对象，研究了功能性颜料对涂布纸纸张性能及印刷适性的影响。研究发现： 1 含研磨碳酸钙c 9 5 的涂布纸比含c 6 5 的涂布纸具有更高的平滑度和光泽度，考虑到 c 6 5 的成本低，其成纸的网点扩大比c 9 5 的好，色域也更具优势，因此，将涂料配方中的 研磨碳酸钙选定为c 6 5 进行实验。 2 空心塑性颜料作为单一功能性颜料的加入，其涂布纸在压光的作用下，平滑度和 光泽度方面具有明显的优势，各色的实地密度非常高，c 、k 两色的相对反差好，网点扩 大相对具有优势；色域范围大；阶调还原效果好，清晰度高。 3 钛白粉作为单一功能性颜料的加入，各色的实地密度相对较高，m 、y 两色的相 对反差好，网点扩大相对具有优势；色域范围大；阶调还原效果好，清晰度相对较高。 4 钛白粉1 + 空心塑性颜料4 + c 6 5 的涂布纸，白度高，平滑度和光泽度远高于专 用彩激纸的测量数据，基本实现了纸性的逼近；各色的实地密度都非常高，相对反差好； 网点扩大小；色域大；阶调还原好，清晰度高，在印刷适性方面优于富士施乐专用彩激纸 的印刷效果。 关键词：钛白粉，空心塑性颜料，涂层覆盖率，色域，阶调，清晰度 m a n u f a c t u r eo ft h ed i g i t a lp r i n tp a p e ra n d a n a l y z eo ft h ep r i n t a b i l i t y a b s t r a c t t h i ss t u d yw a sd e s i g n e dt oc h a n g et h et y p eo fp a i n t , s ot h a ta p p r o p r i a t ep r i n t e do nc o a t e d p a p e rd i g i t a ll a s e rp r i n t i n g ，t ot h em a r k e ts p e c i a lc o l o rl a s e rd i g i t a lp r i n t i n gp a p e ra st h et a r g e t ， t h ea c h i e v e m e n to fc o a t e dp a p e rf o rl a s e rp r i n t i n gp u r p o s e s t h ee x p e r i m e n ts e l e c t e df o u r f u n c t i o n a lp i g m e n t sa st h es t u d yt a r g e t , f u n c t i o n a lp i g m e n t ss t u d i e dp r o p e r t i e so ft h ec o a t e d p a p e ra n dp a p e rp r i n t a b i l i t yi m p a c t t h es t u d yf o u n d ： 1 c o n t a i n i n gc a l c i u mc a r b o n a t es p e c i a lc o a t e dp a p e ro f t h ec 9 5t h a nt h a to f t h ec 6 5h a sa h i g h e rd e g r e eo fs m o o t h n e s sa n dg l o s so ft h ec o a t e dp a p e r , t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el o wc o s to f t h ec 6 5 ，a n di t se f f e c to ft h ed o tg a i ni sb e t t e rt h a nt h ec 9 5 ，a n dc o l o rg a m u ta n dm o r ea d v a n t a g e t ot h ea b r a s i v ec o a t i n go fc a l c i u mc a r b o n a t ei ns e l e c t e de x p e r i m e n t sf o rt h ec 6 5 2 h o l l o w p l a s t i cp i g m e n ta sas i n g l ea d d i t i o no ff u n c t i o n a lp i g m e n t ，t h ec o a t e dp a p e ri n u n d e rt h ep r e s s u r eo fl i g h t , s m o o t ha n dg l o s s yw i t had i s t i n c ta d v a n t a g e ，v a r i e t yo ft h ev e r y h i g hd e n s i t yo ft h ef i e l d ，c ，kr e l a t i v ec o l o rc o n t r a s ta r eg o o d ，a n dt h ed o tg a i nh a s a l l a d v a n t a g e ；、析d ec o l o rg a m u t ；o r d e rt or e s t o r et h ee f f e c t i v e n e s so ft r a n s f e r ，a n dh i g h - d e f i n i t i o n 3 t i t a n i u md i o x i d ep i g m e n ta sas i n g l ea d d i t i o no ff u n c t i o n a lp i g m e n to fw i d ef i e l do f r e l a t i v e l yh i g hd e n s i t y ，m ，yr e l a t i v ec o n t r a s ti sg o o d ，a n dd o tg a i n o ft h er e l a t i v ea d v a n t a g e ；w i d ec o l o rg a m u t ；o r d e rt or e s t o r et h ee f f e c t i v et r a n s f e r ，t h er e l a t i v e c l a r i t yh i g h e r 4 t i t a n i u md i o x i d e1 + h o l l o wp l a s t i cp i g m e n t so f4 + c 6 5c o a t e dp a p e r ，w h i t eh i g h g l o s ss m o o t h n e s sa n dc o l o r - s p e c i f i cs h o c ki sm u c hh i g h e rt h a nt h em e a s u r e m e n t d a t ao fp a p e r , t h eb a s i cr e a l i z a t i o no ft h ea p p r o x i m a t i o no ft h ep a p e r ；c o l o r e df i e l dv e r yh i g hd e n s i t y ， r e l a t i v e l yg o o dc o n t r a s t ；d o tg a i ni ss m a l l ；l a r g ec o l o rg a m u t ；t o n er e s t o r eg o o dh i g h d e f i n i t i o n , i nt h es u p e r i o rp r i n t a b i l i t yd e d i c a t e dx e r o xc o l o rp r i n t i n gp a p e rt h ee f f e c to fs h o c k k e y w o r d s ：t i t a n i u md i o x i d e ，h o l l o wp l a s t i cp i g m e n t ，c o a t i n gc o v e r a g e ，c o l o rg a m u t , t o n e ，d e f i n i t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：苔诸 - ， j 即罗年 | 学位论文版权使用授权书 月矽日 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论丈属于不保密文 ( 请在以上方框内打。 ”) 学位论文作者( 本人签名 指导教师( 本人签名 致谢 本论文是在恩师景宜、梁权峰的精心指导下完成的。读研期间景老师和梁老师为我提 供了大量的实践机会以及良好的学习条件，并在本文的选题、试验、写作诸方面花费了大 量的心血。在此向两位导师表示诚挚的谢意! 衷心感谢三年学习期间导师对我的悉心关怀和指导! 衷心感谢甘苦与共的研究生2 0 0 6 级印刷学友，共同度过的校园时光给我留下了美好 的回忆! 特别感谢多年来含辛茹苦的父母及家人! 黄琦 2 0 0 9 年6 月 1 前言 1 1 研究的目的和意义 随着印刷技术数字化以及网络化的发展，数码印刷凭借着它的灵活可变，填补了传统 印刷的市场空白。个性化的服务、短工期、低成本更巩固了它的市场地位。“按需、短版、 个性化”是数码印刷的利润增长点，这是传统印刷无法取代也无法与之相比的。 本文所研究的是激光数码印刷纸，激光印刷是用激光扫描的方法在光导体上形成静电 潜影，再利用带电色粉( 符号与静电潜影正好相反) 与静电潜影之间的库仑作用力实现潜 影的可视化( 显影) ，最后，将色粉影像转移到承印物上即可完成印刷。激光和喷墨是数 码印刷两种主要的印刷方式，就激光印刷而言，市面上已出现许多专用的数码印刷纸，针 对激光数码印刷并能获得良好的印刷效果，但价格往往高于普通用纸的数倍，这无疑是增 加了生产成本。由于国际上很多大的纸张制造商都致力子为不同的印刷机研制适用的纸 张，并将新产品在不同的设备上进行印刷实验，从而不断改进和完善纸张的性能。广大数 码印刷机制造商也积极地实验各种承印物以保证其生产出的机型对于纸张有很好的印刷 适性，这使得国外对激光数码印刷纸的研制趋于成熟。目前，随着数码印刷机和数码印刷 技术的发展，我国对于相应承印物的需求会有更大的增长。在数码印刷机和承印物的印刷 适性问题上将得到更好的解决方案，使得数码印刷的质量达到更为完美的境地。而现在普 遍的情况是，大多数印刷厂多采用适用于传统印刷的铜版纸和双面胶版纸，这也是导致激 光数码印刷过程中出现许多印刷故障的原因。另外，根据m o h a w k p a p e r 造纸公司商业经 理c h r i sh a r r o l d 的观点，印刷商选择纸张时，过分在意价格和卷筒纸的走纸稳定性，而 较少考虑纸张的成像质量，这是错误的，导致印品的色彩达不到应有的效果。印刷商没有 清楚地认识到自己是在生产高质量的印刷品，无论是长版活、短版活、激光或喷墨打印， 都要尽量使印品的色彩鲜艳、自然。因此，研制具有过硬印刷适应性、成像质量且低成本 的数码印刷纸是解决问题的关键。 本研究的目的是改变颜料种类，使涂布纸适印于激光数码印刷，且使研制的激光数码 印刷纸逼近专用激光数码印刷纸的印刷效果。尽快加大数码印刷用纸的研究和开发、逐步 在市场中占有一定的份额，降低目前购买专用数码印刷纸的成本，提高我国激光数码印刷 纸在国际市场上的竞争力，有助于解决印刷过程中容易出现的印刷故障。 1 2 研究的内容 对多种涂布颜料进行d o e ( d e s i g no f e x p e r i m e n t ) 实验设计，研究涂布颜料对印刷效 果的影响。 分析不同矿物颜料种类、形态结构对激光数码印刷纸的影响；探索纳米级颜料和塑性 颜料对成纸平滑度的影响。 从印刷效果的角度：纸张的研制最终还是为了能够得到色彩鲜艳、自然的高品质印刷 品。对研制的各类涂布纸必须进行印刷适性的研究。 1 3 课题的创新 本课题的创新之处在于以涂层颜料来改变涂布纸的性质，能使普通铜版纸进行数码 印刷，克服其产生的纸病，使其适用于激光数码印刷。 在普遍采用的几种颜料的基础上，引入纳米级颜料和塑性颜料，来改善涂布纸的性 质，研制数码印刷纸。 2 2 文献综述 2 1 国内j l - 数码印刷发展概况 印刷技术数字化，再加上网络化的发展，造就了今天数码印刷的蓬勃场面。不仅过程 是全数字的，信息也是可变的，充分表现了灵活的特性。这是传统印刷无法与之相比的。 据权威机构统计，到2 0 1 0 年，数码印刷将超过传统的胶版印刷，在商业图像印刷行业占 据霸主地位；2 0 1 0 年至2 0 1 5 年，传统胶版印刷所占市场的份额将下降到3 0 ，“数码印 刷”将上升到3 2 t 。由此可预见数码印刷的广阔市场前景和发展空间。如今，数码印刷 正从普通可变图文复制领域向工业化可变数据印刷领域迈进。 工业化数码印刷是以工业生产为目标的面向高端需求的数码印刷方式。它在速度、生 产性能、质量和产量上直逼胶印，可优质且低成本地完成大批量、个性化、可变数据印刷 作业。工业化数码印刷具有数字化的特点，又能够进行胶印式的工业化生产，在生产能力 和业务拓展方面拥有巨大潜力。既可实现个性化的可交数据印刷，又能降低印刷成本。 由于工业化数码印刷设备往往都配备了强大的数据处理系统和现金的流程控制系统， 不仅可以轻易地完成普通数码印刷设备的工作内容和工作量，还能够完成多批次、高产量、 有大量可变数据的印刷任务。因此，在国外，工业化数码印刷设备已成为各大印刷企业提 高服务品质和拓展业务的首选，从而增强市场竞争力e j 。 随着我国经济快速持续发展，对外贸易额的日趋增加，印刷市场不断呈现出多样化、 数字化、灵活、快速的特点。工业化数码印刷将以高档的印刷质量、高数量的可变客户群 体、高差异化的市场定位和高特色化的生产领域成为企业提升综合服务能力和竞争能力， 满足长远发展需求的手段和利器。 随着数码印刷技术逐渐为人们熟知，业务量逐年增长，国内数码印刷设备的装机量也 在飙升。数码印刷市场渐渐从导入期步入了快速发展期。在现阶段，由于数码印刷的活源、 销售渠道等问题，大多数传统印刷企业对数码印刷市场仍持观望态度。企业引入数码印刷， 印刷商就需要有主动服务客户的意识，原有的经营理念必须转变。在价格方面，国外传统 印刷价格本身就很高，因此能够很好的实现价格接轨，但在国内，数码印刷的单位价格往 往高于胶印很多，因此，降低生产成本是当务之急。在质量方面，随着数码印刷技术的发 展，在色彩稳定性、纸张的适应性以及与现有印刷工艺流程的配合等方面有了长足的进步， 数码印刷的质量越来越接近传统胶印。 现今，国内的数码印刷市场主要是以短版活为主。数码印刷设备由于价格优势，往往 用于打样，通过改进其印刷幅面，已基本取代了数码打印机的位置。但在短版印刷市场， 小胶印设备在成本和质量上往往更有客户缘。数码印刷在国内的印刷市场，起到传统印刷 的补充作用。 随着国内数码印刷的发展和普及，数码印刷更应以个性化服务作为印刷市场的立足 点，在降低成本，提高质量上寻求突破，向国外数码印刷和传统印刷具有等同的独立业务 盈利看齐。 2 2 激光数码印刷纸 喷墨和激光是两种主要的数码印刷方式。而激光印刷的网点边缘较喷墨的网点边缘光 滑，鉴于激光数码印刷成为市场的主流，如何降低生产成本是研究的重点。激光数码印刷 纸是最为直接的生产消耗品，而市面上专用激光数码印刷纸虽然针对激光数码印刷能够获 得良好的印刷效果，但其售价往往高于普通胶印纸的数倍。在面临数码印刷的生产成本本 身就高于普通胶印的情况下，纸张的高价更有损数码印刷的竞争优势。很多印刷商为此采 用普通胶印纸进行激光数码印刷，生产成本是降低了，但印刷质量也降低了。因此，研制 一种适合于激光数码印刷的纸张，且纸张性质及印刷效果又逼近于现今专用的激光数码印 刷纸是当务之急。 2 2 1 激光数码印刷对纸张的要求 在研制激光数码印刷纸之前，先要了解激光数码印刷的成像方式。数码印刷机的品牌 不同、速度不同、功能不同，对纸张要求达到的指标也有一定的差异。激光印刷的基本原 理是用激光扫描的方法在光导体上形成静电潜影，再利用带电色粉( 符号与静电潜影正好 相反) 与静电潜影之间的库仑作用力实现潜影的可视化( 显影) ，最后将色粉影像转移到 承印物上即可完成印刷l l io 这种方法可以在普通纸上成像，而且所用的呈色剂是颜料，既 可以实现黑白也可以实现彩色印刷。 激光数码印刷要求纸张在温湿度变化的环境下，有良好的尺寸稳定性、低挠曲性及低 起皱性，同时还要求有适当的耐磨擦性、表面导电性、足够的挺度，而且在印刷过程中少 掉纸毛或灰尘。此外，纸张对印刷质量的好坏也须注意。由于应用静电印刷原理进行印刷， 以色料代替油墨，因此纸张的电性能，又如电阻率、介电常数等均应控制在适当水平。还 须牢记：纸张的含湿量对纸张的性能，同时也对其印刷性能有很大影响。采用静电印刷原 理印刷的印刷品，其质量的一致性要靠掌握正确的机器参数来实现，但是纸张的均匀性也 很重要：纸张中的纤维或填充料的分布必须均匀，表面的平滑度对色料转移的优劣也至为 关键，尤其是对那些纸面与色料接触很近的机型更关重要。色料到达纸面上后，多靠热压 固定。因此，纸张表面的光滑度、表面化学性能及热处理性能等也必须掌握在合适的水平。 对低克重涂料纸的挺度应有要求，以防在热压辊上挠卷。纸张在运输、搬运及储存过程中 所受到环境湿度的变化，对静电印刷原理的数码印刷质量很有影响。因此，有关的仓库、 印刷车间等应用空调控制。 高平滑度是获得高分辨力印刷效果的关键因素，平整而光滑的印刷表面可以表现精细 的网点变化。对于无摩擦纸张输送系统来讲，一般都要靠真空系统辅助输纸也要求纸张 尽可能的光滑和少孔隙，当然太光滑的表面也会造成纸张打滑会给进纸带来问题。 均衡的，控制在一定范围内的导电性可以避免产生印刷斑点等瑕疵保持成色稳定性 和颜料的良好附着性。为了避免纸张带电要求纸张具有较好的导电性。因数码印刷大多 数是静电印刷，会造成纸张带电，具有一定的导电性才可将电荷导走，避免印张相互吸附。 给后工序纸张输送带来问题。 4 纸张的表面性质对墨粉向纸张表面传输固着有决定性的影响。经压光和涂布的纸张表 面相对封闭，是图像最佳再现的前提条件。 目前，国际上用于数码印刷的涂布纸种相对较多，对数码印刷用涂布纸也提出了新的 要求：纸张表面平滑，呈白色或中白色；纸张挺括、洁净、不透明；纸张白度、强 度和光泽度高；纸张抗起泡性高；采用计量施胶压榨法进行微徐布；纸张可双面打 印吐 2 2 2 国内外激光数码印刷纸的需求和发展 随着数码印刷市场的不断扩大，越来越多的商业印刷商、快印店和印刷服务公司开始 采用彩色数码印刷技术。响应客户越来越多彩色印刷品的需求，从而带来了对数码印刷纸 张需求的日趋增大。据专业机构的预测，到2 0 1 0 年，几乎所有印刷纸张都将主要应用于 数码印刷设备上1 4 i 。因此，纸张制造商努力开发出涂布纸、重磅纸和高质量的新型印刷纸 以满足不同数码印刷设备的要求。 目前，国际上很多大的纸张制造商都致力于为不同的印刷机研制适用的纸张，并将新 产品在不同的设备上进行印刷实验，以不断改进和完善纸张的性能| 3 j 。广大数码印刷机制 造商也积极地实验各种承印物，以保证其生产出的机型对于纸张有很好的印刷适性。同时 也根据不同的纸张来调整印刷机的运行参数以达到良好的印刷质量，并和纸张制造商合作 开发纸张新项目。 随着数码印刷机和数码印刷技术的发展，我国对于相应承印物的需求会有更大的增 长。在数码印刷机和承印物的印刷适性问题上将得到更好的解决方案，使得数码印刷的质 量达到更为完美的境地。对于纸张制造商，应借鉴国外的先进经验，尽快加大数码印刷用 纸的研究和开发、逐步在市场中占有一定的份额。 近年来，我国涂纸布市场需求不断上升，涂布纸的建设已经进入了一个高速发展的时 期f 5 j 。对于各等级纸的定量也都有向低定量发展的趋势t 6 j 。国内市场低定量的激光数码印 刷纸品种很少，9 0 克的屈指可数，这之中，富士施乐的印刷效果算是最好的了。但5 0 0 张市场售价1 5 0 元，比同克重的胶印纸高出数倍。因此，本研究选用这种纸作为实验目标， 目的在于研制出低成本，且近似于其e l j s t j 效果的低定量涂布纸。 2 3 颜料在造纸行业的应用现状和发展趋势 涂布纸是涂布层和原纸的综合物体【。涂布层是一层薄膜，是将颜料溶解或分散于水 中所组成的溶液或悬浊液涂布于纸张表面，待水分除去后固着于纸面上的一层薄层。涂布 印刷纸颜料是分散良好的固体有机或无机颗粒，是构成涂料的两大主要组成成分之一。在 涂料配方中，颜料通常占总质量的7 0 9 0 ，是最重要的涂料组分1 引，极大地影响到涂 布纸的成纸性能和涂布机的运行性能一j ，涂料的组成在很大程度上决定涂料的性能| i0 | 。 颜料天然地可以有多种分类方法，根据相对用量来分可以分为主体颜料、特种颜料和 辅助颜料三种。形成涂料中颜料的主体属于主体颜料类，通常使用的有瓷土、研磨碳酸钙 g c c 和滑石：特种颜料类似于主体颜料，除了其用量受到一定限制外，例如硫酸钙；辅 助颜料在涂布的颜料中只占- d , 部分，根据经验不超过1 0 ，有沉淀碳酸钙p c c 、二氧 化钛等。 至今尚无一种十全十美的颜料可以应用，在选择一种涂料用之颜料时，必须考虑到两 大因素：( 1 ) 颜料的性质，包括物理性质与化学性质，考虑这些性质是否可以达到涂布纸 成品所要求的质量。( 2 ) 另一项因素为颜料的价格，影响涂布纸的成本颇巨。此二项因素 经常是对立的；质量可令人满意者一般单价都较高昂。 一般涂布用颜料的质量须具有下列的各项性质：容易分散于水q b ( g o o dd i s p e r s i b i l i t y ) 、 悬浊液之粘度宜低、粒径分布( p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ) 适宜、白度要高、折射率( r e f r a c t i v e i n d e x ) 高、不透明度( o p a c i f y i n gp o w e r ) 高、吸水度低、磨擦系数低、具有化学惰性( c h e m i c a l i n e r t n e s s ) 、接着剂的耗用量小、显色力( f i n c t o r i a lp o w e o 强、比重小、清洁、纯度高、含水 份低。对于上述之各种性质迄今尚无一种颜料能够全部具备，各种颜料各有其独特的优点 性质。 通过将不同粒子形状的颜料以适当比例混合，就可以提高涂层的透气度和松厚度。将 瓷土和研磨碳酸钙g c c ( g r o u n dc a r b o n a t ec a l c i u m ) 混合是十分普遍的。因此，实验中的 主颜料就是基于这两种颜料的混合，并加入各种辅助颜料来实现改进纸性，利于激光数码 印刷的效果。 2 3 1 瓷土 瓷土在造纸工业使用多年，首次在纸张涂布中使用瓷土大约在1 9 世纪7 0 年代。瓷土 由于其扁平的粒子形状、良好的色泽( 白或近白色) ，以及利用它可相对容易地加工成很 细的粒子规格，是一种极有价值的涂布颜料。而且在当前环保意识时代，瓷土还被美国 f d a 列入“普遍视为安全”的一种材料。 瓷土是应用最广泛的涂布纸颜料，是一种含结晶水的硅酸铝。目前涂布用颜料以瓷土 最为普遍，约占9 0 ，全世界每年涂布纸工业使用瓷土超过1 0 0 0 万吨。瓷土粒径大小对 于不透明度、白度、油墨吸收性、接着剂耗用量及流动性质很有影响。碳酸钙是第二种主 要的白色涂布用颜料。涂布时一般是与瓷土配合使用以补助瓷土的白度、不透明度及油墨 吸收性。 2 3 2 研磨碳酸钙( g r o u n dc a l c i u mc a r b o n a t e ) g c c 国内制造高质量轻质碳酸钙的石灰石和制造重质碳酸钙的方解石资源分布广泛，储量 极为丰富( 石灰石数十亿吨、方解石超过六亿吨) 。碳酸钙良好的使用性能和低的价格， 决定了它在造纸领域的高速发展和未来造纸矿物颜料消费份额的主导地位。研磨碳酸钙 g c c 从经济与技术上说是一种重要的涂布与填料用颜料。在2 0 世纪6 0 年代前期，欧洲 纸张开始用g c c 作为填料。几年以后，它又被用作为涂布颜料i 。到7 0 年代末北美开 始走上同一条道路。国内造纸g c c 的规模化应用历史较短，从1 9 9 5 年才开始的，1 9 9 7 6 年以前p c c 曾一度占领着造纸碳酸钙的统治地位，1 9 9 8 年以后g c c 得到迅猛发展。 g c c 的生产商往往力图提供给造纸工业以较低成本的颜料。目前，全世界所拥有的 大量生产和供应设施确保了产品的稳定供应。在所有使用的颜料中，研磨碳酸钙g c c 具 有最好的性价比。它对速度日益加快的涂布机的良好干燥特性、良好的流变学行为、低胶 粘剂需要、以及良好的光学与印刷质量都具优越性能。 在未来，纸和纸板印刷将逐步根据下述原则来选用颜料：可获得性、环境考虑、适用 性、经济性和质量。环境考虑将是很重要的一条。g c c 不造成生理学上的问题，且可长 期大量获得，产量很高，具有天然的高白度。 碳酸钙为一种不含水的颜料。其粒径一般在2 8 p 之间，其白度高达9 3 9 8 度；不 能溶于水，但是比瓷土更容易分散于水中。研磨碳酸钙g c c 是在有水或无水的条件下， 利用机械力研磨成粉状颗粒，其粒形不规则，形状因子较小，较之沉淀碳酸钙具有更宽的 粒度分布和较低的表面能，使其具有极佳的流变特性，悬浮液和涂料都有比其他颜料更低 的粘度，因此是制备高固含量涂料理想的颜料。g c c 的亮度高，流动性好，适用于高浓、 高速涂布，最高可以达到7 8 的固含量，节省了干燥时的能量。其涂层有良好的油墨接 受性，并可赋予涂层较高的白度和不透明度i l2 j 但研磨产品的粒度较粗，生产的纸光泽度 很低，虽然这一特性为无光、暗光整饰所需要，但毕竟限制了研磨碳酸钙在涂布加工纸中 的全面应用。 研磨碳酸钙g c c 作为涂布颜料有利于流变学性能、高涂料固含量、较好的运行性能 ( 涂布机) 、节能、地胶粘剂需要、高白度、提高光学增白剂效率、良好的印刷质量和高 印刷光泽度。研磨碳酸钙常与瓷土以一定的比例混合，组成涂料配方中的颜料部分。它们 的配合使用赋予涂料液更好的流动性并可提高涂布纸的白度等级。 2 3 3 沉淀碳酸钙( p r e c i p i t a t e dc a l c i u mc a r b o n a t e ) p c c 虽然p c c 实际已多年用于纸张涂布，它在全球涂布颜料市场中仍是一个次要的角色。 这主要是与传统的涂布颜料相比，其价格较高。但新的生产方式与卫星工厂生产的设想， 已为造纸工作者利用特制p c c 涂料的性能开辟了全新的道路与机会。 沉淀型碳酸钙p c c 是由许多的棱柱( p r i s m s ) 通过结晶力( c r y s t a l l i n ef o r c e s ) 交互差错 ( i n t e r l o c k ) 而成一多孔性的晶体，其每公克的表面积约为1 0 - - 一5 0 公尺，比重2 3 ，折射率 1 5 6 ，白度9 5 - 9 9 度。由于其多孔性，故碳酸钙对于水与油的吸收率高，同时在涂布工 程中耗用接着剂之量亦较瓷土多。 沉淀碳酸钙p c c 在涂布纸工业中的应用已有很长历史了，近年来随着结晶技术的发 展，p c c 的质量越来越高，应用也越来越广。p c c 的磨损性低、白度高、吸墨性好、颗 粒细，因此国内外涂料配方中经常与瓷土配合使用，配用量根据生产需要从5 - - - 2 5 不 等，涂料中的p c c 会增加涂料的粘度。 含p c c 的涂布纸具有高白度、高不透明度、高松厚效应、良好的纤维覆盖率、良好 的印刷性能、低鼓泡的优点。 7 2 3 4 纳米碳酸钙 造纸领域对纳米技术的研究和应用方面的实验并不多，因而，进行这方面的研究是必 要的。 纳米碳酸钙自身白度高，具有纳米级材料的特点表面积大、表面活性高、强度和 硬度高，所以可能对涂布纸的质量提高有所帮助。通过在涂料里加入纳米碳酸钙，能改善 涂层的色相，有利于涂布纸光泽和白度的改善。由于纳米碳酸钙粒子不仅粒度小，粒子形 状有多种可供选择，并且粒径分布窄，能够保证白色颜色的纯正。使用纳米级粒子，由于 粒径小，对纸的光学性质如不透明度、光泽及印刷光泽度的提高有利。某些纳米粒子还可 以产生特殊的光学效果，如散射时随观察角度不同而变色，可适用于生产有特殊用途的涂 布纸。但是由于纳米碳酸钙存在颗粒表面能高、极易聚集成团、表面亲水疏油、与有机物 质之间没有结合力等缺陷，增加了其实际应用的难度，需要不断地进行研究和突破1 n i 。 2 3 5 二氧化钛 2 0 世纪初期就已认识到钛白有成为颜料的可能性，实现商业化颜料生产，并且事实 上，在2 0 世纪5 0 年代与6 0 年代迅速取代了老的白色颜料。钛白颜料是用于造纸工业的 最昂贵颜料，是用高价原料和复杂的工艺技术所制成的合成颜料。钛白应用的领域非常广， 所生产的1 4 左右的二氧化钛颜料是用于造纸工业作为纸和纸板中的填料或涂料中的颜 料| l 川。造纸工业中的某些趋势表明，在若干造纸用途中钛白颜料有持续或甚至不断增长 的应用。 在白色颜料中，二氧化钛的折射率最高，因而被主要用于增加涂布纸的白度和不透明 度。二氧化钛价格较高，因此使用上受到限制，多在对不透明度有较特殊要求时使用，二 氧化钛在涂料配方中，随着用量的增加，白度增加。如果强度是纸张的重要性能，用少量 的钛白颜料代替常用造纸颜料，将增加纸张的强度，同时仍然提供同样的光学性能。 2 3 6 塑性颜料 h e i s e r 1 6 l l 7 1 在1 9 7 2 年首次介绍了以苯乙烯作为涂布纸光泽度助剂的聚合胶乳的应用。 这类合成聚合物被用以取代若干无机颜料| | 8 1 。塑性颜料其主要成分是苯乙烯和苯乙烯与 丙烯酸共聚乳液，一般有两种形态：空心球体聚合物的水分散体和实心球体聚合物的水分 散体。顾名思义，空心塑料颜料粒子核心是中空的，其核心中空部分充满了水分。空心球 塑料颜料因其自身的特殊结构，应用于涂布纸时，比实心球体更能增加涂布纸张的光泽度、 白度和不透明度，在相同定量情况下增加纸张松厚度，同时使压光机具有较大的调整空间 及较佳的运转性。有很多研究人员例如：a l i n c e i 瑚i ，l e p o u t r e t t 驯h a g y m a s s e y i 引 ，b r o w n i ：! t 等，对这种热塑性的颜料进行了大量的研究与报道。 据报道，塑性颜料与瓷土或碳酸钙配用时，若加热温度高于塑料的玻璃化转变温度， 涂布纸不透明度增加并且涂层的微孔隙得到改善。塑性颜料的优点是可以控制乳胶的粒度 来分别改善光泽度、不透明度、白度、油墨吸收性，其晟为显著的优点是可以改善涂布纸 的印刷适性。目前，塑性颜料的成本还很高，使用还不广泛，但其优点和潜力是很大的。 邮寄成本持续上升、增加印刷质量的持续市场压力，以及造纸工业不断使用越来越多 的后消费者废纸的涂布市场趋势，将会对塑性颜料的未来产生影响。这是由于低定量的纸 张需求越来越大，低密度的塑性颜料在获得较低定量的同时，又不牺牲使用性能的方面， 并且在增加纸页光泽度与印刷光泽度上将有持续的价值，弥补再生纸的强度和白度性能。 2 4 颜料在涂层中的作用 颜料是涂料中用量最多的一个组分，所以颜料自然是影响涂布性能的最重要因素。对 于涂布纸来说，其主要目的就是改进印刷适性和外观。由于原纸的纤维粗度较大，而颜料 粒子经过加工可以达到微米甚至纳米等级，这对于纸张表面的细致程度显然有明显的改 观。当选择涂布用的某种或几种颜料时，我们实际上是选择涂布的某个性能或综合性能。 颜料增加其粒子的扁平性或减少粒子的规格，能够改进纸张的光泽度；增加颜料的折射指 数或减小粒子规格，能够增加纸张的不透明度；降低颜料的光吸收系数，能够提高纸张的 白度；降低颜料的堆积密度或混合不同形状的颜料粒子，可以改进纸张的透气度、油墨吸 收性、松厚度和涂层覆盖率；降低颜料的密度同样也能改善纸张的松厚度和涂层覆盖率。 理想的颜料应具有以下的性能t 2 3 1 ： 较好的化学稳定性和在水中的低溶解度； 在所有波长有良好的光反射率，或者说良好的白度( 亮度) ； 没有杂质； 合适的粒子规格和粒子规格分布； 高折射率，或者说，良好的不透明度； 很少的胶粘剂需用量； 水悬浮液有良好的流动性； 与水极易混合( 分散性) ； 很好的光泽性能( 愉悦的涂布光泽度和很高的印刷光泽度) ； 与其他涂料组分的良好兼容性； 低密度； 非磨损性； 廉价。 2 4 1 颜料对涂层覆盖率的影响 涂布能填平凹坑和覆盖原纸表面，并大大增加纸张的平滑度，表面强度增加、尘埃点 减少、光泽度增加、吸墨性下降。涂料的覆盖率希望要好，覆盖率是指原纸如何很好地被 掩盖在涂料的下面。如果覆盖率不好，最高出的纤维可穿过涂层而被看到。 涂布的主要目的就是最大程度地获得涂层对原纸表面纤维的覆盖。涂层覆盖率反映的 9 是纸面整体被颜料覆盖的程度。为了获得好的涂布性能，改进涂层的覆盖性是非常必要的。 纸张表面涂布用的涂料种类很多，迄今可以归纳为四大类：水基性涂料、溶剂性涂料、 热融性涂料、糊悬性涂料。就涂料的浓度来说，也因涂布机的型式、涂布速度和涂料的组 成而分为低浓、中浓和高浓涂料等。低浓涂料的浓度在3 0 以下，中浓涂料的浓度为3 0 5 0 ，适用于气、刮刀涂布机等低速涂布机使用，高速涂布机适合用高浓度( 5 0 7 0 ) 、 低粘度的涂料。 一般说来，颜料涂布加工纸所用颜料的粒径，不应超过涂层的厚度，应控制在0 4 2 岬较为适宜。粗大的颗粒，会造成涂布纸压光或印刷时掉粉，同时对涂布纸的光泽度、 涂层强度、不透明度和平滑度等产生影响。颜料的粒度太细也不好，因太细会增加胶粘剂 的用量，使压光性能变差。控制颜料的粒度对印刷涂布纸来说，是非常重要的。 瓷土具有六角盘状结构，涂层覆盖率高；成纸在经过超级压光处理后，瓷土在纸面上 呈现与纸面平行的排列，提高了光泽度。其粒径越小，品质越好：但是胶粘剂用量会增加。 g c c 具有斜方六面体结构，g c c 浆液的流动特性非常良好，有助于制备高固含量涂 料并且有助于在高速纸机上运行。g c c 能提高纸张的白度，改善油墨的吸收性。与瓷土 相比，g c c 对成纸的光泽度产生不利影响。瓷土涂层覆盖率高，成纸光泽度高，有利于 改善纸张的印刷适性。 沉淀碳酸钙p c c 在涂布工艺中也得到了应用，p c c 的主要优点是：高白度，p c c 白 度可达到9 6 9 9 ；高散射系数，高不透明度；高孔隙率和低起泡趋势；好的印刷性能。 纳米碳酸钙是粒径极小的纳米级粒子颜料，在涂料中加入纳米级碳酸钙，可以开发出 高光泽度、高白度、高表面强度的涂布纸，并改善纸张的平滑度，以满足涂布加工的高白 度、高光泽、低涂布量的发展趋势譬引。 钛白具有圆形的结构，折射率高达2 7 0 ，能显著增加纸张的不透明度。钛白的白度高 达9 7 - - - , 9 8 ，有利于增加纸张的白度。 空心塑性颜料具有球形的结构，对光泽度和平滑度的主要贡献是改进了压光整饰的响 应度。在经过超级压光后，在涂布面上，粒子被压扁，形成了平滑度更高、微孔更少、光 泽度更高的表面。 在颜料的选择中，颜料粒子的形状和大小是非常重要的，造纸上常把不同形状、不同 大小和不同种类的颜料进行合理配制，充分发挥各种颜料的优势，满足产品的质量要求。 2 4 2 颜料对涂料流变性的影响 随着造纸机车速的增加，选择颜料不仅要考虑到满足产品质量，还要考虑到涂布机的 运行性( r u n n a b i l i t y ) 。保证良好的涂布机运行的条件要充分考虑到涂料的流变性，研究涂 料的流变性有助于开发新的涂料配方。流变性研究物质流动和变形的科学，研究物质 对作用于其自身上的反应，同时这种反应依靠着应力的类型和大小。流变特性是影响涂布 机运行性、保水值和涂层性能的关键因素。是描述涂布配方中不同组分相互作用的一种有 力工具。 颜料的粒子形状、规格和规格分布对涂料的流变性有重要作用。涂料是水和固体的混 1 0 合物，具有粘弹性的特点。涂料配方中由于颜料固体粒子的出现，使得涂料悬浮液呈现非 牛顿型特性，表现为粘度增加。 粘度是控制涂布运行性能的关键指标之一，选择颜料要注意：在高剪切条件下，防止 涂料显示出胀流性( d i l a t a n t ) 。胀流性是指随着剪切力增加，涂料粘度出现增加的现象， 会对涂料的运行性产生不良影响。防止胀流性的主要措施：降低固含量，给颜料粒子更多 的移动空间；扩大粒子的粒径分布范围，颜料的分散状态是关键的控制因素之一。 2 5 涂料的流变性 现代颜料涂布工艺对涂料的流变性提出了严格的要求。精确的涂布量几乎在瞬间必须 转移到纸上，形成均匀的、连续的表面覆盖和适于最终使用要求的涂层构形。随着涂料固 含量和涂布量进一步降低，也降低了颜料涂布纸的定量，它使情况更加复杂化，最终不得 不在涂料配方的组成和流动性能方面进行某些根本的变革。涂料的流变性或流动性能在颜 料涂料中已成为十分重要的性能。 流变学是研究物质形变和流动的- - f - j 科学，它通常被看作为对流体应力应变行为的 研究i 5 i 。流变学还被认为是物体偏离理想的牛顿型流体的特性。在一组不同剪切速率的 条件下，用粘度名词来描述涂料的流动性不足以定义大多数涂料的流变性，但具有牛顿型 流动的涂料是一个例外情况，对于它们来说，剪切应力和剪切速率之间存在着一种线性关 系。因此测定某一剪切速率下的粘度便可计算其他条件下的粘度。然而，绝大多数涂料并 不展示牛顿型流动，孤立粘度点的测定，不足以定义它们的流动性。通常，随着涂料固含 量的增加，它们偏离牛顿型流动的程度也增加。 因为流体的流变性是指流体受力时的变形和流动特性。所以，不同的流体，由于其组 成性质不同，其流变性也不同。比如，对水等纯净的流体，稍微受力即可产生流动，而且 流动服从牛顿定律( 称为牛顿型流体) ，即相邻流层间的剪切速度和所受剪切应力的大小 成正比，基比例数系数称为粘度。 ”一 悬浮系的流动特性则与此不同( 称为非牛顿型流体) ，它可以有塑性流动、假塑性流 动、塑性触变型流动和胀流性流动等。塑性流体，其特点是：由于悬浮系中粒子的相互作 用，可形成能抵御外力作用的内部结构。因此只有当剪切应力大到超过某一极限时，才能 破坏这种内部结构而产生流动，但流动特性仍为线性。在这里，我们称开始流动时所需要 的最小剪切应力为屈服点，流动后的粘度为塑性粘度，而流动前所表现出来的粘度为该悬 浮系的结构粘度。 假塑性流动，随着剪切力的提高，其内部结构不断破坏，故粘度越来越低。 塑性触变型流体，它有屈服点，当流动开始后，流体的粘度随着其内部结构的不断破 坏而降低( 称为表观粘度) 。触变型流动与纯假塑性流动不同，它们的区别在于：假塑性 流动的剪切速度与剪切应力基本是一对应的，即不受时间的影响。但是，触变型流动则 受时间的影响，即在某剪切应力作用下，流体不能立即得到一个稳定的速度，流体内部结 构的破坏和重建要经过一段时间才能达到新的平衡。而且当剪切应力撤消时，内部结构的 重建也是时间的函数。若让剪切应力从高值下降，由于内部结构不能立即重建，因此下降 曲线成直线，且与上升曲线组成闭环，其面积可表示触变性的大小。另外，除塑性触变型 流动外，其他基本型( 如假塑性) 流体也可有触变性。 胀流性流体，这种流体的粘度是随着剪切应力一起增加，其原因为二：一是几何效应， 即在静止时，悬浮粒子因重力的作用，相互交错排列，形成紧密的充填状态，而外力作用 会破坏这种状态，使粒子棱角相触，间隙增大，体积膨胀，运动时摩擦加剧，因此粘度增 加；二是粒子的凝聚作用，即在流体力学的剪切力和压缩力的作用下，粒子产生凝聚，故 粘度增加。 涂料的流动特性要比上述情况复杂得多，有的涂料甚至可表现为上述各种基本流型的 综合状态。一种涂料究竟属于哪种流动特性，主要由下列因素决定，即涂料固体物的容积、 温度、颜料种类( 粒径、形状和水化程度等) 、胶粘剂的种类及用量、粒子的凝聚程度( 与 分散剂用量有关) 等。在一般情况下，涂料的固含量高，粘度和屈服点都高。对干酪素型 涂料来说，固含量低时呈牛顿型流动；固含量高时则具有塑性和一定的胀流性，高固含量 的淀粉型涂料，具有明显的触变性。对以瓷土为颜料制备的涂料，当瓷土含粗大粒子 ( 8 - 1 0 1 a m ) 较多时，呈胀流性；而当其含微细粒子( o 8 1 o 阻或更小) 多时，则呈触变 性。水化能力低的瓷土涂料可呈胀流性，而高者则可以改善涂料的流动性。此外，凝聚性 颜料将使涂料液的粘度和屈服点增高。 不同的流体有不同的临界剪切速度u 。，在此之前，随着剪切应力的增大，涂料液的 凝聚结构不断被破坏，故使其粘度降低，在临界剪切速度处，粒子完全分散，涂料的粘度 降到最低点。此后，当剪切应力进一步升高，粒子受此力的作用又产生凝聚，表现为胀流 性，即涂料的粘度随